使用MAX13256选择合适的变压器

MAX13256为10 W变压器驱动器，是跨越隔离边界传输功率的改进方式。与所有变压器驱动器一样，良好的系统性能需要良好的变压器规格。虽然许多变压器都可以与MAX13256配合使用，但并非所有变压器数据资料都考虑到了变压器驱动器的应用。本应用笔记讨论如何指定满足应用需求的变压器。

介绍

MAX13256为小型、高性能变压器驱动器，理想用于工业或医疗环境中的隔离供电。MAX13256为非稳压DC-DC电路元件，即无反馈控制次级电压。因此，MAX13256在不需要严格稳压的二次电源应用中特别有吸引力。即使要求良好的稳压，MAX13256与后置稳压器配合使用仍然是具有成本竞争力的方案。

那么如何设置输出电压呢？与稳压DC-DC架构不同，MAX13256始终以50%占空比方波驱动变压器。因此，输出电压取决于变压器绕组的匝数比。因此，必须注意为每个应用选择或指定合适的变压器。

找到合适的变压器非常简单，只需选择MAX13256的现有产品，或在通用变压器目录中搜索合适的产品即可。此外，变压器供应商将制造定制设计，有时很少或没有非重复性工程（NRE），并且周转时间快，因此，如果其中一个标准产品不能满足您的需求，您可以指定自己的产品。许多变压器供应商接受高规格。对于那些需要帮助的供应商，您还将学习如何为他们提供基本设计。

受变压器规格影响的重要参数

在检查变压器是否满足您最重要的隔离需求后，其他因素也会发挥作用。变压器规格影响：

MAX13256的功耗：受磁芯损耗和磁化电感的影响

变压器中的功率耗散：受铁芯损耗、初级电阻、磁化电感和次级电阻的影响

输出电压：受初级电阻和次级电阻影响

峰值输出电流：受磁芯损耗和磁化电感影响

为MAX13256选择现有产品

通常，现有产品足够接近以满足应用程序的需求。这是一个很好的方法，因为已经为您考虑了许多因素。已知变压器在额定温度范围内提供额定电流。

如果变压器数据资料指定了MAX13256的兼容性，则检查数据资料，确保满足以下要求：

隔离级别

温度范围

输出负载电流

然后，使用“MAX13256专用变压器”电子表格进行进一步验证。尽管这样做可能很诱人，但请避免超过规格。例如，超过输出电流规格可能导致变压器或MAX13256过热。

对于变压器驱动器电路，重要的是始终在工作台上进行原型设计，并验证在各种负载和过温下的运行情况。在分析中包括所有因素是不切实际的。将分析视为创建初始设计的一种手段，并期望根据基准验证对设计进行轻微修改。

使用“MAX13256专用变压器”电子表格

专为与MAX13256配合使用而设计的变压器可提供温度范围、隔离电平、ET积（有时称为ET常数）、最大次级（输出）电流以及初级和次级电阻。通常不存在磁芯损耗和磁化电感。

使用这些参数，可以创建一个好的设计。可以验证重要的设计参数。但是，如果需要总功耗或效率，则必须通过对原型进行的工作台测量获得这些功耗或效率。验证相当于确保ET产品不被违反，并且输出电压足以满足预期的应用。

例如，假设您有一个 26V 电源，需要从中获取一个隔离的 5V 电源。该电路工作在商用温度范围内，需要5kV隔离，并且必须提供0.5A的负载。

搜索会发现一个可能的有吸引力的候选者，TGMR-502V6LF1.隔离充分，变压器的温度范围和输出负载能力超过要求。让我们使用电子表格验证其他参数。图1所示为第一部分“来自MAX13256数据资料”中的内容：

图1.MAX13256特定变压器示例的数据输入，MAX13256部分。

电子表格单元C3是MAX13256内部桥式开关导通电阻之和，即数据资料规格R之和哦和 R老.典型值为 1.6？。对于最坏情况分析，请将单元格 C3 更改为 2.5？。电子表格单元格 C4 是最小开关频率，以千赫兹为单位。如果使用内部振荡器进行时钟，则此值为510kHz。对于外部时钟，请在此处输入进入CLK引脚的最低频率。

接下来，在第二部分“来自变压器数据手册”中输入参数，如图2所示。

图2.MAX13256特定变压器的数据输入示例，变压器部分。

输入驱动MAX13256 V的电压DD固定在电子表格单元格 C7 中。在本例中，它是26V。输入电池 C8 中的输出负载电流。根据这个例子，它是0.5A。变压器规范用于在单元 C9 到 C12 中输入相应的数据。

图3.MAX13256次级整流拓扑

两种常见的次级整流器拓扑如图3所示。如果次级整流器拓扑为推挽式，则在单元 C11 中输入两倍的初级匝数。例如，如果使用TGMR-512V6LF，则使用推挽式整流器，请在单元格C11中输入“8”，在单元格C12中输入“1”。

此拓扑也会影响在单元格 C13 中输入的内容。对于全波整流器，输出电压降低两个二极管压降，而对于推挽整流器，输出电压仅降低一个二极管压降。请查阅二极管数据手册，确定每个二极管的预期正向偏置压降。如果尚未选择二极管，请输入表1中建议的默认值，然后在选择特定二极管后替换接近值。

 

整流器拓扑	二极管技术
	肖特基	硅
推挽式的	0.351	0.7V
全波	0.7V	1.4V

 

最后，请参阅电子表格的第四部分“计算结果”。Cell C23 计算此应用的最小允许 ET 常数。变压器规格必须等于或超过此规格。Halo TGMR-502V6LF 变压器 ET 常数为 60V-μs，超过了电池 C23 中计算的最小值。

电子表格单元C24计算整流器的输出约为5.4V。如果需要对隔离式5V电源进行良好调节，则使用压差为0.4V或更低的LDO来调节此输出。

由于未考虑所有因素，因此在执行最坏情况分析时，应将输出电压降低1%至5%。另请注意，对于非常轻的负载，输出电压最终可能会远高于计算值。例如，在MAX13256数据资料第5页的右下角图表中可以看到这一点。

如果轻负载输出电压是一个问题，请在工作台上以预期的最小负载进行原型设计并测量输出电压。在某些情况下，使用预负载电阻分流输出会降低轻负载时的输出电压。

图4.MAX13256特定变压器实例的计算结果

选择不是专门为MAX13256设计的变压器

如果没有专门设计用于MAX13256的标准变压器怎么办？然后扩大搜索范围，查看未特别提及MAX13256的标准变压器产品。只需扫描几个参数就可以快速缩短一长串可能的候选者。

首先，从考虑中剔除任何不符合隔离要求的变压器。接下来，查看匝数比和ET产品。您如何看待这一点取决于任何中心水龙头的可用性。例如，如果初级有一个中心抽头，则可以选择驱动整个绕组，或者只驱动一半的绕组。一侧中心抽头的变压器提供两种可能性，同时抽头初级和次级中心抽头的变压器提供四种可能性。

从表 2 中，对于所有适用的可能性，请仅保留同时满足第三列和第四列条件的可能性。查阅表2时，ET产品的计算公式为：

ET = （1000 × V在）/f西 南部

哪里：

ET 是基于电路要求的计算乘积（以伏特微秒为单位）

V在是输入电压，以伏特为单位

f西 南部是最小输入时钟频率（以 kHz 为单位）或 510kHz（如果使用内部振荡器）

在表2中，暂定匝数比（TR）定义为所需输出电压除以输入电压。

 

使用主中心水龙头？	使用辅助中心水龙头？	计算的ET产品必须最多	此比率必须超过暂定匝数比率
不	不	变压器 ET	全次级匝数/全初级匝数
不	是的	变压器 ET	端对中心抽头次级匝数/完整初级匝数
是的	不	变压器ET的一半	全次级匝数/端对中心抽头初级匝数
是的	是的	变压器ET的一半	端对中抽头辅助匝数/端对中心抽头初级匝数

 

最后，借助“MAX13256通用变压器”电子表格验证应用是否适用。

使用“MAX13256通用变压器”电子表格

除了已经提到的规格外，许多变压器数据手册还包括磁化电感，有时称为初级电感。这有时也称为OCL或开路电感，因为它是在绕组上测量的，所有其他绕组都保持开路。

OCL 是一个重要的规范。与Maxim以前的变压器驱动器不同，MAX13256可限制峰值初级电流，防止过载和短路情况。初级电感使初级电流具有经典的“基座上的斜坡”形状，如图5所示。

图5.初级端的电流波形。

在恒定负载下，变压器看到平均电流，由提供电力以加热变压器铁芯的组件和向负载输送电力的组件组成。初级电感导致在此平均电流之上出现电流斜坡。分析必须包括检查峰值电流是否误触发MAX13256保护电路的计算。

让我们再看一个例子。假设您有一个 12V 电源轨，需要创建一个隔离式 12V、200mA 电源轨，具有 1kV 隔离。搜索会找到一个可能的候选产品，线艺Q4470-CL2.使用“MAX13256通用变压器”表验证其他参数。图 6 显示了要在第一部分中输入的内容。

图6.MAX13256通用变压器数据录入示例，MAX13256部分

电子表格单元C3是MAX13256内部桥式开关导通电阻之和，即数据资料规格R之和哦和 R老.典型值为1.6Ω。对于最坏情况分析，将电池C3更改为2.5Ω。电子表格单元格 C4 是最小开关频率，以千赫兹为单位。如果使用内部振荡器进行时钟，则此值为510kHz。对于外部时钟，请在此处输入进入CLK引脚的最低频率。

为了防止过载和短路故障，MAX13256限制提供给变压器初级的峰值电流。ITH上的电阻器负责设置此限流阈值。除非输入电流需要更多限制，否则ITH引脚上的电阻应为1kΩ，以保证500mA峰值电流限值。如果ITH电阻设置为高于1kΩ的值，则将编程电流限值输入电池C5。否则，请使用默认值 0.5A。

接下来，在第二部分“由客户输入”中输入参数，如图 7 所示。

图7.MAX13256通用变压器示例的计算结果

输入驱动MAX13256 V的电压DD固定在电子表格单元格 C8 中。在本例中，它是 12V。输入单元 C9 中的输出负载电流。根据这个例子，它是0.2A。从变压器数据手册中获取电池 C10 至 C14 的值。尽管变压器同时具有初级和次级中心抽头，但这种设计并没有利用它们。如果使用主中心抽头，则单元格 C12 中的主匝数条目将减半，即 1.5。同样，如果在设计中使用了辅助中心抽头，则单元格 C13 中的值将减半，即 2。

整流器拓扑会影响单元 C15 中输入的内容。对于全波整流器，输出电压降低两个二极管压降，而对于推挽整流器，输出电压仅降低一个二极管压降。请查阅二极管数据手册，确定每个二极管的预期正向偏置压降。如果尚未选择二极管，请输入表1中建议的默认值，然后在选择特定二极管后替换收盘值。

接下来，查阅电子表格的第四部分，即图 8 中的“计算结果”。

图8.MAX13256通用变压器示例的数据输入，按客户部分输入。

Cell C32 计算此应用的最小允许 ET 产物。32V-μs 的变压器 ET 乘积超过了电池 C32 中所需的最小值 23.5。如果MAX13256驱动器连接到初级端的一端和中心抽头，变压器将能够处理规定规格的一半，即16V-μs。这是不够的，因此该变压器不能在此应用中使用中心抽头。

C33单元计算MAX13256的峰值电流。此值必须低于在单元格 C5 中输入的值。请注意，单元格 F33 表示“良好”。如果单元格 C33 中的计算证明过高，单元格 F33 表示“PK 电流太高”。

电子表格单元C35计算电路的预期输出电压，在本例中约为13.9V。如果需要稳压良好的12V输出，则LDO有足够的压差裕量。

有关“功耗”信息，请参见图9。

图9.MAX13256通用变压器示例，功耗部分

这些功耗数字是合理的，在制作精良的设计中应该不会造成很少或不会造成麻烦。请注意，变压器功耗数字包括未知的磁芯损耗，估计为200mW，即电池C16中的值。与MAX13256配合使用的变压器类型往往远低于200mW的近似值。这也是为什么在工作台上检查电路性能很重要的另一个原因。

为复杂的变压器供应商指定变压器

如果您没有找到合适的标准产品，那么您应该考虑与变压器供应商联系以获取定制产品。

与信誉良好的变压器供应商合作的最佳方式可能是在设计阶段与他们合作。使用“MAX13256通用变压器”电子表格制定变压器的暂定规格。

您应该向变压器供应商提供的“硬”规格是：

隔离级别

ET 常数

输出电流

匝数比

估计“软”规格，并期望变压器供应商建议对这些规格进行一些更改：

调整电池 C14 中的初级电感，直到电池 C20 与 C9 的比率低于 0.3。这表示变压器应具有的最小初级电感。这往往是最不难满足的软规范

估计内核损耗为0.2W。变压器供应商选择不同的铁氧体和不同的磁芯进行调整。变压器供应商在铁氧体和磁芯方面的经验对您来说可能是最有价值的东西。

调整初级和次级电阻，大致与匝数比成比例，直到C39电池的变压器耗散低于0.75W，C38电池中的MAX13256功耗低于1.0W。这些数字有点保守，因为变压器供应商经常试图尽可能接近您为这些提供的任何内容。

将这些规格提供给变压器供应商以供其审查，然后根据他们的反馈进行调整。除了帮助您进行设计外，变压器供应商还提供产品制造和测试质量的价值。这尤其有价值，例如，当您需要超过2.5kV的高隔离电平时。

使用“XFMR设计MAX13256”电子表格设计变压器

如果您希望对电路进行更多控制，可以创建初步变压器设计供变压器供应商审查。指定使用的铁氧体和磁芯，以及线规和每个绕组的匝数。即使您只计划指定变压器，创建初步设计也可以深入了解变压器供应商需要做出的权衡。

例如，为MAX13256设计一个变压器，采用24V电源供电，提供9V/0.7A和5V/0.4A。该变压器将有一个初级变压器和两个次级变压器。

第一步是选择铁氧体材料。由于大多数设计使用MAX13256的内部振荡器，因此所选材料应在255kHz至700kHz范围内正常工作。尝试使用相对磁导率大于 1000、磁通密度大于 0.25 特斯拉的铁氧体。参见图 10。

让我们试试N49铁氧体材料3，然后使用数据手册填写电子表格的铁氧体部分。

图 10.MAX13256变压器设计电子表格的铁氧体数据资料部分。

铁氧体数据手册上的峰值磁通密度，第 2 页，符号 BS，在 100°C 时为 400mT，输入电池 C2。单元 C3 计算降额的最大通量。使用降额磁通量密度作为指导，帮助设置实际磁通量密度。检查铁氧体数据手册第5页左下角的“相对磁芯损耗与频率的关系”图，200mT曲线停止在200kHz。要在300kHz以上的频率下使用这种材料，磁通密度应限制在100mT或以下。可以尝试各种通量密度。较高的磁通密度可降低导线损耗，而较低的磁通密度可降低磁芯损耗。

在本例中，选择在单元格 C4 中输入的 75mT。从同一图表中，在500kHz时，100mT时的磁芯损耗约为700 kW/m^3，50mT时约为100 kW/m^3。几何平均值约为 265，因此在单元 C5 中输入 350kW/m^3 的磁芯损耗，超出部分是为了考虑可能在 500kHz 以上运行。

第二步是选择一个核心，在这种情况下，是Ferroxcube EP13®4.铁氧体是使用的材料，而磁芯是物理形状。在此数据手册中，输入电子表格核心部分中的值，如图 11 所示。

图 11.MAX13256变压器设计电子表格的内核数据资料部分

特定于内核的参数可在内核数据手册第693页的左上角找到。这些是横截面积、有效长度和磁芯的有效体积。窗口区域是允许缠绕电线的空间。对于此EP13内核数据手册，必须根据数据手册第693页的图1进行计算。窗口区域是核心数据手册第693页图1底部插图中的非阴影区域之一。

MLT，或Mean Length per T骨灰盒可以在第696页找到。导线不直接缠绕在磁芯上，而是缠绕在线圈成型器上，线圈成型器确定与绕组相关的参数。

接下来，在电子表格中输入所需的电压和电流，如图12所示。

图 12.MAX13256变压器设计电子表格的V和I部分

这些都取自电源电路的设计要求。参见图 13。

图 13.MAX13256变压器设计电子表格的开关频率和峰值电流输入

电子表格单元格C22是MAX13256内部桥式开关导通电阻之和，即数据资料规格R哦和 R老.典型值为1.6Ω。对于最坏情况分析，将电池C22更改为2.5Ω。电子表格单元格 C20 是最小开关频率，单位为千赫兹。如果使用内部振荡器进行时钟，则此值为510kHz。对于外部时钟，请在此处输入进入CLK引脚的最低频率。

为了防止过载和短路故障，MAX13256限制提供给变压器初级的峰值电流。ITH上的电阻器负责设置此限流阈值。除非输入电流需要更多限制，否则ITH引脚上的电阻应为1kΩ，以保证500mA峰值电流限值。如果ITH电阻设置为高于1kΩ的值，则将编程电流限制输入电池C23。否则，请使用默认值 0.5A。

随着初步工作结束，是时候选择电线和匝数了。这是一个迭代过程。调整匝数和导线尺寸，直到找到有效的变压器设计。增加匝数可降低磁芯中的峰值磁通量，从而降低磁芯损耗。然而，增加匝数也会迫使使用更小的导线尺寸以适应所提供的空间，从而增加电阻和绕组损耗。

该过程从“MAX13256变压器设计”电子表格的“用户轮次”部分开始，如图14所示。

图 14.MAX13256变压器设计电子表格的用户转动部分

请注意单元格 C30、C31 和 C32 中的值。这些是所需的最小转弯数。我们首先将这些值分别输入到单元格 C35、C36 和 C37 中，如图 14 所示。单元格 D35、D36 和 D37 应始终指示“良好”。如果其中一个或多个单元格显示“没有足够的转数”，则必须增加相应的转数。

我们继续查看电子表格的“用户线”部分。

图 15.MAX13256变压器设计电子表格的用户导线部分

根据匝数和绕组允许面积，电子表格建议单元格 C51、C53 和 C55 中的线规。用户可以调整这些。现在，只需将它们复制到单元格 C59、C60 和 C61 中，如图 15 所示。如果单元格 D66 指示“过度填充”，则必须向上调整单元格 C59、C60 和 C61 中的条目，直到指示“良好”。

另一个需要注意的警告指示器是电池D86，如果设计在正常工作期间可能使MAX13256过载保护电路跳闸，则指示“PK电流过高”。这要么是因为初级匝数不足，要么是因为您试图转换的功率超过MAX13256的能力。由于MAX13256的峰值电流限值为0.5A，输送的功率必须始终小于电源电压的一半。例如，采用24V电源时，MAX13256永远无法提供高达12W的功率。参见图 16。

图 16.MAX13256变压器设计电子表格的输出电压部分

两种常见的次级整流器拓扑如图3所示。对于全波整流器，输出电压降低两个二极管压降，而对于推挽整流器，输出电压仅降低一个二极管压降。请查阅二极管数据手册，确定每个二极管的预期正向偏置压降。如果尚未选择二极管，请在C98和C103中输入表1中建议的默认值，然后在选择特定二极管后替换更近的值。

请注意单元格 C99 和 C104 中的结果。这些是计算出的输出电压。我们得到的不是9V和5V，而是7.6V和4.4V。我们需要增加次级匝数以使这些电压升高。

调整单元 C36 和 C37 中的实际次级匝数，直到这些电压轻松超过要求。次级电路有 10 圈和 6 圈，最终得到 9.6V 和 5.4V。但是现在，单元格 D66 表示填充过多。在这种情况下，增加匝数会导致磁芯窗口区域中的导线过多。请注意图 17 中电子表格中的新建议。

图 17.新用户线路建议。

单元格 D35、D36、D37、D66 或 D86 中未显示警告。对于变压器，初级变压器有 22 匝 24 号线，9V 次级有 10 圈 22 号线，5V 次级有 6 圈 24 号线，我们可以预期在 0.7A 时大约为 9.6Vout（电池 C99），在 0.4A 时为 5.4Vout（电池 C104）。

电池 E105、F105 和 G105 估计功耗。在这种情况下，MAX13256耗散约半瓦，变压器耗散约五分之一瓦，整流二极管耗散约1瓦。

图 18.MAX13256变压器设计电子表格的输出电压部分修正

最后一步是构建变压器，在工作台上对电路进行原型设计，并验证电路运行是否令人满意。参见图 18。

如果您正在考虑使用中心抽头次级，请使用此电子表格，确保次级匝数和次级线规匹配。

结论

由于匝数比在决定输出电压时占有重要地位，因此必须注意找到适合MAX13256设计的变压器。除了寻找专门设计用于MAX13256的变压器外，还可以找到满足您需求的标准产品。如果做不到这一点，可以指定或设计定制变压器。有了本应用笔记中介绍的基本信息和简化的设计程序，您就可以快速从概念到实际工作电路，准备在工作台上进行原型设计和验证。

审核编辑：郭婷